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氦氣球被禁放:當年140萬個氦氣球帶來的災難,是唯一的原因嗎?


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更新日期:2022530
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每到節假日慶祝的時候,街上總會有人放飛氣球,花花綠綠的氣球飄在空中甚是好看。但如果問氣球裏面裝的是什麼氣體,恐怕答案並不會統一。

有人會說是氫氣,因為文學作品裏都喜歡把能飄上天的氣球稱為氫氣球。有人會說,氫氣不安全,發生過好幾次事故,所以裏面充的氦氣。也有人會說,氦氣多貴啊,氣球一個才幾塊錢,當老板做慈善嗎?沒良心的老板充的天然氣,有點良心的充氫氣。

以上說法其實都對,這些氣體都曾經在氣球裏出現過,不過現在普遍使用的依然是氫氣。

氫氣的悲劇

氫原子是所有原子裏最輕的,同時它也是元素之王,位於整個元素周期表的第一個。說它是元素之王,那是因為根據宇宙大爆炸學說,整個宇宙中誕生的第一個原子就是氫原子,之後的所有原子都是在氫原子的各種核聚變中形成的。理論上說,沒有氫就沒有整個元素周期表,因此元素之王稱號對其而言當之無愧。

氫氣在1766年被科學家卡文迪許發現並制備,是人類比較早使用的氣體之一。在飛機還沒有誕生的時候,人們的飛行主要靠熱氣球。熱氣球利用的是空氣分子在不同的溫度下密度不同的原理,熱空氣密度小,冷空氣密度大,因此對著氣球內部充熱氣,讓氣球飄起來。後來人們發現,充入氫氣比熱氣更好,於是氫氣球出現了。

人們在氫氣球的基礎上設計出了飛艇。飛艇的原理和氣球還是差不多的,主要是利用比空氣密度低的氫氣,讓氣球懸浮在空氣中。根據阿基米德公式,氣球體積越大它的浮力就越大,可以拉起來的物體就越重。人們不斷地加大氫氣球的體積,最後都得到了大規模載人的飛艇,實現了最早的空中運輸。

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可隨著氫氣的使用範圍變大,它的缺點也開始暴露。首先就是氫氣可以燃燒,這個就非常危險,因為氫氣球執行的都是飛行任務,一旦出問題救都救不回來。比如許多氫氣球被雷劈中,當場就燒沒了。如果只是燃燒就罷了,氫氣中一旦混進來了氧氣,濃度在4%到75.6%之間,氫氣不僅會燃燒還會爆炸。氫氣飛艇誕生後,發生了多次事故。

人們意識到了氫氣的不安全,急於尋找一種新的氣體代替氫氣,氦氣在這個時候走進了人們的視野。

氦氣的崛起

氦元素是元素周期表裏的2號元素,雖然與氫在序號上是挨著的,但是因為性質的不同,二者隔得挺遠的,正如它們的發現歷史,相差了100年的時間。

當時的氫氣飛艇頻繁發生事故,人們意識到是氫氣的性質導致的,於是希望找到代替它的氣體,這個氣體必須擁有以下特點:

首先要比空氣輕,根據化學家推斷,空氣的平均相對分子質量大約29,因此這個氣體的相對分子質量得在29以下。

其次,性質要十分穩定,不易燃燒更不會與空氣中的氣體發生反應。最後就是要容易制備,才不會使飛艇的飛行成本高。

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人們找了半天,最後終於找到了在19世紀末期才被發現的氦氣。氦氣滿足前兩個要求,唯獨不滿足第三個。氦氣的制作成本在所有氣體裏不算便宜的,原因在於地球上的氦氣很難提取,而且也不好發現。可是當時沒有比氦氣更好的選擇了,總不能使用天然氣吧?這貨比氫氣還危險。所以,就算氦氣貴,人們還是咬咬牙將它充進了飛艇裏。

氮氣從此開啟了自己的高價之路,一躍成為重要的戰略氣體。很快它的運用就不再局限於飛艇,而是擴展到了工業的方方面面。人們發現它實在是太穩定了,穩定到可以與空氣中的氧氣形成勢不兩立的局面。焊接過程中,焊條在熔融狀態下與氧氣發生反應,影響焊縫質量,這個時候往焊縫四周釋放氦氣,它既不會與焊縫發生反應,又隔絕了空氣。

因為氦被用到了工業上,很快氦氣的液態成為了攻克方向,將人類的科技推到了冷凍的新高度。一時間,氦氣在氣體中的地位僅次於氧氣,成為了新的寵兒。但好景不長,氦氣的屁股剛坐熱,一個變化就將其從巔峰直接拉到了穀底。

氣球事件

1903年,萊特兄弟發明出了飛機,並且很快就取代了飛艇成為了新的空中運輸工具。飛機不管是速度、靈活度還是效率都遠高於飛艇,而它的成本卻比飛艇便宜,這種降維打擊直接讓飛艇從人類的歷史中退出舞台。尤其是二戰期間,飛機的技術得到了飛速發展,二戰後,軍用民用兩開花。飛艇只能成為節日的表演者,用來拉橫幅、打廣告,一代飛行器淪為了小醜。

和飛艇一起跌落神壇的還有氦氣,美國當初為了飛艇儲備了許多氦氣,現在有了飛機,這些氦氣即使跌價了都賣不出去。無奈,美國克利夫蘭的一個慈善組織決定在1986年9月27日放飛氣球,為疾病兒童籌款,順帶處理掉這批囤積了幾十年的氦氣。活動當天一共放飛了140萬個氦氣球,一舉打破當年迪士尼在自己30周年慶上放飛的氣球個數,成為全世界一次放飛氣球最多的活動。

這140萬個氦氣球頓時遮天蔽日,將整個克利夫蘭的天空染成了五顏六色,大家都沉浸在這個喜悅之中,絲毫沒有料到之後的災難。這些氣球造成了嚴重的天空擁堵,讓當天的航班受到了嚴重影響,不少航班選擇繞道或者返航。並且活動當天的天氣不好,放飛沒多久就刮風下雨,讓一部分氣球落了下來,飄得地上到處都是,造成了克利夫蘭局部交通癱瘓。

這還沒完,這些氣球很快飄到了海上,原本救援隊在當天出動尋找兩位失蹤的漁民,結果遇到這漫天的氣球海,直升機什麼都看不見,救援工作無法展開。一些氣球在飄揚的過程中破裂,巨大的聲音驚動了野生動物和家禽家畜,造成動物的慌張亂竄,讓一些人因此受傷。一時間美國的東北部雞飛狗跳,人們怨聲載道,最後這場慶典造成了巨大的損失,主辦方賠得傾家蕩產。當然,他們創造的這個記錄沒被撤銷,現在都還在。可能是前車之鑒吧,再也沒有人敢組織這種大型放氣球活動了。

奇怪的是,美國在這次事故後宣布禁止放飛氦氣球。大家都覺得奇怪,這場活動的確造成了嚴重的後果,可再怎麼說也是一場意外,下次放的時候注意一點就行了,沒必要一刀切掉吧。

其實美國徹底禁止放飛氦氣球的原因,並不單純地是因為氦氣球的危險性,真正的主要原因,使氫氣聽了流淚,氦氣聽了笑出聲。氦氣,又要重新回歸巔峰了!

重回世界之巔

根據氦的形成原理,它是全宇宙含量第二多的元素,然而在地球上,氦的含量不僅少,而且還屬於不可再生資源。氣球事故將氦氣再次拉回大家視野,氦氣的價格開始上漲,美國為了控制氦氣,於是不允許氦氣被廣泛用在氣球裏,不然太浪費。

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自然界中的氦都是以同位素的形勢存在,因此是很好的核反應物質,核技術不僅在軍事上屬於頂尖,在民用上也是。二戰後,核發電站開始建立,急需要大量的氦,作為反應的物質或者保護的氣體。此外,氦氣在治療哮喘方面效果極佳,而美國又是一個哮喘高發的國家,這類醫療氣體必須嚴格控制起來。

熱力學上有一個絕對零度——0開爾文,即-273攝氏度,在這個溫度下分子沒有動能,內能最小。可是現實生活中這個溫度沒辦法達到,只能無限接近。液體氦的溫度為-268.93攝氏度,非常接近於絕對零度。因此液氦是一種非常理想的超導材料,具有極高的研究空間。

雖然飛艇已經被歷史淘汰,但是氦在其他地方做到了極致,很快它成為了各國控制的一種資源物質,身價百倍。就算這個時候美國不頒布什麼氦氣球禁令,也沒人願意拿氦氣去充氣球,因為實在是太貴了!

遍布宇宙

如果一個物質在戰略上取得了重要地位,那麼有再多人們也無法滿足,更何況氦是真的不多。只要是地球上稀缺的物質,人類就會去太空中尋找。

按照元素周期表,氦是全宇宙第二個誕生的元素,它是由氫發生核聚變得到的,常見於恒星的表面與內部,紅巨星和紅超巨星時期是恒星含氦量最多的時期。氦經過核聚變反應可以生成碳、鐵等大質量元素。此外,地球的大氣層最外圈也有一層氦氣,可以考慮將其收集回收。

地球大氣最外層的氦氣,來自於當初的飛艇和當年人們的不規範生產。氦氣是一種惰性氣體,質量又比空氣小很多,在進入大氣後,它便朝最高層進發,過程中不與任何分子和原子發生反應,最後突破大氣層帶來最外圍。由於地球存在磁場,一部分氦氣會停留在大氣層外層,另外一部分氦氣逃逸到宇宙中去。

氦還存在於早期的星雲,這是因為星雲來自於恒星的超新星爆炸,爆炸中恒星原來的物質會被它自己甩走,只留下一顆內核。這些甩走的物質裏,有天體初生所需的氫和氦,我們地球上的氦就是太陽系形成初期的物質。理論上,只要是太陽系的星體,都會存在氦。

果不其然,就在離我們最近的月球,人們發現了氦。

月球上的氦

月球上的氦主要是氦-3,這是一種氦的同位素。人類在上個世紀的登月中,采集到了大量的月球岩石,經過分析,裏面含有大量的氦-3。根據估算,月球上的氦-3含量大約100萬噸,而僅僅100噸的氦-3就夠全世界一年使用。

雖然已經確定月球的氦-3含量,可是如何開采是一個問題。首先就是每次登月的載重量有限。以美國為例,它們的阿波羅計劃將12名宇航員送上了月球,但這麼多次計劃只帶回了380公斤的岩石樣本。這裏面的氦-3含量很少。人們可以朝月球發射采集器,然後從月球返回地球。可是能攜帶的岩石重量非常少,開采一次的成本高得嚇人,帶回來的那點氦-3產生的價值還不及花出去的成本。

盡管氦-3是一種很清潔的能源,月球也不缺,我們也可以前往月球開采,所有的一切都具備,擋在人們面前的是費用。也許等去往太空變為平常事情後,開采月球氦-3才會跟今天挖煤一樣普通。

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